Коллапс черной дыры


Как образуются черные дыры

Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.

Для типичной черной дыры звездной массы (M=10Msun)1 гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·1014 г/см3, то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см3), она равна плотности вещества атомного ядра.

Для черной дыры в ядре галактики (M=1010Msun) гравитационный радиус равен 3·1015  см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца — равна 150 млн. км или 1,5·1013 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10–3 г/см3, что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10–3 г/см3 (!).


Для Земли (M=3·10–6Msun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρкр = 2·1027 г/см3, что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.

Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света = 300000 км/с.

Дальше пресс не понадобится — сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет — «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.


Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством — отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения.
итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10–13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.

Белые карлики

Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4Msun, термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.

Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.


Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик — объект с радиусом порядка радиуса Земли (~104 км), массой менее 1,4Msun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 1010, то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.

Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4Msun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.

Нейтронные звезды

Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4Msun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.


Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.

Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4Msun, то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4Msun, но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3Msun, то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.


Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.

При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.

Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3Msun, скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.

Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Черные дыры

Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3Msun, то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.


Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 105–106 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10–3 секунды.

Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары — источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.

У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» — все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.


Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3Msun, испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).

В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.


Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.

Источник: elementy.ru

Где-то в центре Млечного Пути скрывается гигантская черная дыра, масса которой в несколько миллионов раз превосходит массу Солнца. Как и все черные дыры, этот сверхмассивный гигант под названием «Стрелец А*» (сокращенно Sgr A*, произносится «Стрелец А со звёздочкой» — прим. перев.) поглощает всё, что попадается в область действия его гравитационного поля, — этот гигант пожирает абсолютно всё, включая свет. Тем не менее, поглощение материи — это лишь один из способов, с помощью которого эти космические монстры вырастают поистине до астрономических размеров, набирая умопомрачительную массу. Заметим, что характеризуя черную дыру как гигантский космический объект, астрономы обычно имеют в виду его гигантскую массу, а не размеры.


И здесь возникает логичный вопрос: а каковы размеры разных черных дыр?

Распределение черных дыр по классам в зависимости от массы

Обычная черная дыра (она известна как «черная дыра звездной массы») образуется, когда эволюционный цикл массивной звезды, вес которой превышает почти 8 солнечных масс, подходит к концу. После того, как догорят остатки ядерного топлива, наступает фаза быстрого гравитационного сжатия (или гравитационного коллапса) звезды, после чего происходит гигантский взрыв, — так появляется сверхновая звезда. А то, что останется, превратится либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, — все зависит от массы звезды. Масса таких черных дыр может варьироваться от пары до нескольких десятков солнечных масс.

Тем не менее вопрос о происхождении сверхтяжелых черных дыр, таких как «Стрелец А*», которые могут в миллионы и даже миллиарды раз превышать массу Солнца, остается нерешенным. Астрономы знают, что гигантские размеры и масса таких черных дыр, по-видимому, связаны с галактиками родственной связью, причем самые большие из сверхтяжелых черных дыр были обнаружены в центрах самых больших галактик.

Указанные доводы, а также недавно появившиеся свидетельства существования одного теоретически предсказанного класса черных дыр среднего размера (их называют черными дырами средней массы, которая варьируется от сотен до миллиона солнечных масс), по-видимому, указывают на то, что черные дыры могут стать сверхмассивными после того, как бесчисленное количество черных дыр звездной массы и промежуточной массы через миллиарды лет сольются воедино.

Ясно, что различные типы черных дыр могут значительно различаться по массе, и все же, не совсем ясно, насколько они различаются по размерам.

А что, если Земля и Солнце были когда-то черными дырами?

Чтобы изучить размеры черных дыр, давайте сначала рассмотрим два наиболее изученных объекта — Землю и Солнце.

Масса Земли составляет около 6×1024 кг. И хотя с точки зрения обывателя это гигантская цифра, она все-таки ничтожна по сравнению с массой черной дыры.

Чтобы появилась черная дыра, нужно сконцентрировать достаточно большую массу, причем ее гравитационное притяжение должно быть настолько сильным, что никакая другая сила не сможет предотвратить гравитационный коллапс этой массы. Вот почему ученые не смогли найти черные дыры, столь же легкие, как Земля, — этим космическим объектам просто не хватило бы массы для гравитационного сжатия. (Но некоторые ученые считают, что в первые несколько мгновений после Большого взрыва мог появиться класс так называемых древних первичных черных дыр. Масса этих гипотетических объектов могла бы варьироваться от совсем небольшой до гигантской, в десятки тысяч раз превышающей массу Солнца.)

Считается, что в центре черной дыры находится бездонная гравитационная яма пространства-времени, называемая гравитационной сингулярностью. Плотность этой сингулярности бесконечна, и все, что туда попадает, остается там навсегда. Внешний край черной дыры называется горизонтом событий; он представляет собой ту границу, за пределы которой не может вырваться ни одна частица материи, попавшей в гравитационное поле черной дыры, включая кванты света. Радиус горизонта событий зависит от массы черной дыры; этот радиус был впервые рассчитан немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (Karl Schwarzschild) в 1916 году.

Для черной дыры массой, сравнимой с массой Земли, радиус Шварцшильда составляет менее одного дюйма (2,54 см), — то есть размером с шарик для настольного тенниса. Для Солнца радиус Шварцшильда составит немногим менее двух миль (3,2 км).

Каковы самые маленькие из известных черных дыр?

Как мы знаем, черные дыры очень трудно обнаружить. И все потому, что, в отличие от звезд, они не светятся, поскольку фотоны света никогда не вырвутся за пределы горизонта событий. Тем не менее иногда у черной дыры появляется аккреционный диск — ореол вещества, движущегося вокруг черной дыры; при этом из-за трения между слоями этого вещества происходит свечение. Ученые способны наблюдать черную дыру лишь благодаря свету, излучаемому аккреционным диском; иначе черная дыра невидима. Кроме того, черную дыру можно обнаружить по тому влиянию, которое она оказывает на другие космические объекты. Например, ученые обнаружили объект «Стрелец А*» только после того, как была зафиксирована странность в поведении семи звезд, вращающихся вокруг него.

С помощью этих методов учеными за последние годы было найдено множество кандидатов на роль черной дыры, включая самую маленькую известную нам черную дыру, расположенную в двойной системе GRO J1655-40. Газ с видимой звезды, расположенной в этой системе, перетекает к черной дыре, генерируя достаточный поток энергии для питания микроквазара.

Квазары развиваются в чрезвычайно ярких активных ядрах галактик (это центры галактик), в которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким и мощным аккреционным диском. По некоторым оценкам, черная дыра в GRO J1655-40 весит примерно в 5,4 раза больше Солнца, а ее радиус составляет около 10 миль (16 км). Изучая подобные микроквазары, астрономы надеются лучше понять возможную связь между гигантами, скрытыми в ядрах галактик, и небольшими аккрецирующими черными дырами, разбросанными по галактикам.

В 2008 году ученые поначалу пришли к выводу, что обнаружили черную дыру еще меньшего размера, но позже теми же исследователями масса этого космического объекта была скорректирована. Любая черная дыра меньших размеров могла появиться, скорее всего, в результате слияния двух нейтронных звезд, а не в результате гравитационного коллапса умирающей звезды. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила гравитационные волны от возможного слияния нейтронных звезд в 2017 году, всего через два года после того, как гравитационные волны были вообще впервые обнаружены. Гравитационные волны, испускаемые во время слияний, дают ученым новый способ идентифицировать черные дыры в радиусе 100 миллионов световых лет от Земли.

С другой стороны, размер черной дыры звездной массы зависит от того, насколько массивной была звезда, ей предшествовавшая. Самая тяжелая звезда из всех известных, которая была найдена на сегодняшний день, обозначена аббревиатурой R136a1, она весит в 315 раз больше Солнца. Черная дыра с такой же массой, получившаяся из нее в результате гравитационного коллапса, имела бы радиус около 578 миль (930,2 км). Несмотря на свои большие размеры (по сравнению с самыми маленькими из известных черных дыр), даже эта огромная черная дыра звездной массы не идет ни в какое в сравнение со своими сверхмассивными родственниками.

Насколько велики черные дыры промежуточной массы?

Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся так называемые черные дыры промежуточной массы — то есть долгожданное «недостающее звено» в эволюции черной дыры. На сегодняшний день найдено лишь несколько кандидатов на роль этого звена, в том числе космический объект, найденный телескопом «Хаббл» в начале нынешнего года. Такие объекты найти еще труднее, поскольку они менее активны в отсутствие близко расположенных космических объектов, которые служат для них своеобразным «топливом».

Масса черной дыры, недавно обнаруженной «Хабблом», в 50 тысяч раз превышает массу Солнца. Она находится в отдаленном плотном звездном скоплении, расположенном на окраине галактики бóльших размеров, именно там астрономы ожидали найти доказательства этих «недостающих звеньев». Такой кандидат на роль черной дыры промежуточной массы окажется в десятки тысяч раз тяжелее Солнца, а его радиус составит одну пятую радиуса Солнца, или примерно вдвое больше радиуса Юпитера.

И хотя черные дыры промежуточной массы обладают значительными размерами, их вес колеблется в пределах от 100 до 100 тысяч солнечных масс. Между тем масса сверхтяжелых чёрных дыр может в миллиарды раз превосходить солнечную.

Определяем размеры сверхтяжелых черных дыр

У центральной черной дыры нашей галактики, «Стрелец A*», расположенной в 26 тысячах световых лет от Солнца, радиус примерно в 17 раз превышает солнечный, а это значит, что размеры этой черной дыры ограничены, к примеру, орбитой Меркурия. И хотя упомянутая нами черная дыра в Млечном Пути весит около 4 миллионов солнечных масс, ее размеры малы по сравнению с размерами некоторых других сверхмассивных черных дыр, которые скрываются в центре других галактик.

Самая большая из сверхмассивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день, находится в скоплении галактик Abell 85. В центре этого скопления расположена галактика Holm 15A, где общая масса сосредоточенного там вещества составляет около 2 триллионов солнечных масс. Центр этой галактики почти столь же велик, как Большое Магелланово Облако, радиус которого составляет 7000 световых лет.

Это скопление звезд расположено на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли, его размеры вдвое превышают размеры любой из предыдущих черных дыр. Это было установлено после того, как стала поступать информация из обсерватории на горе Вендельштейн при Университете им. Людвига и Максимилиана и от телескопа VLT (Very Large Telescope — «Очень большой телескоп») Европейской Южной Обсерватории. Ученые обнаружили, что черная дыра в центре галактики Holm 15A обладает колоссальной массой — 40 миллиардов солнечных масс, или примерно две трети массы всех звезд Млечного Пути. При такой гигантской массе она имеет диаметр, сопоставимый с диаметром Солнечной системы, — вообще это небывалый размер для какого-либо единичного объекта.

Но размер наблюдаемой Вселенной составляет 46,5 миллиардов световых лет во всех направлениях, а это означает, что астрономы делают лишь первые шаги, позволяющие понять природу черных дыр. Только год назад с помощью телескопа Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий), который состоит из восьми телескопов, расположенных в разных частях Земли, впервые удалось получить изображение черной дыры. Кроме того, ожидается, что обсерватории LIGO и Virgo, изучающие гравитационные волны, смогут ежегодно обнаруживать благодаря новым технологиям около 40 слияний двойных звезд, а также открывать черные дыры и нейтронные звезды, расположенные по соседству с такими звездами. Кроме того, благодаря более совершенным телескопам, таким как Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST) и Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) Европейского космического агентства, которые получат первые изображения в течение следующего десятилетия, сложно предугадать, сколько вообще черных дыр — этих космических монстров — будет обнаружено в будущем в темных глубинах космоса.

Источник: inosmi.ru

Сущность коллапса

Это явление считается конечной точкой эволюции звезд, вес которых составляет более трех солнечных масс (вес Солнца). Эта величина используется в астрономии и физике с целью определения веса других космических тел. Коллапс случается в том случае, когда гравитационные силы заставляют огромные космические тела с большой массой очень быстро сжиматься.

В звездах весом более трех масс Солнца есть достаточно материала для продолжительных термоядерных реакций. Когда субстанция заканчивается, прекращается и термоядерная реакция, а звезды перестают быть механически устойчивыми. Это приводит к тому, что они со сверхзвуковой скоростью начинают сжиматься к центру.

Нейтронные звезды

Когда звезды сжимаются, это приводит к возникновению внутреннего давления. Если оно растет с достаточной силой для того, чтобы остановить гравитационное сжатие, то появляется нейтронная звезда.

Такое космическое тело обладает простой структурой. Звезда состоит из сердцевины, которую покрывает кора, а она, в свою очередь, формируется из электронов и ядер атомов. Ее толщина равна примерно 1 км и является относительно тонкой, если сравнивать с другими телами, встречающимися в космосе.

Вес нейтронных звезд равен весу Солнца. Отличие между ними заключается в том, что радиус у них небольшой – не более 20 км. Внутри них взаимодействуют друг с другом атомные ядра, формируя, таким образом, ядерную материю. Именно давление со ее стороны не дает нейтронной звезде сжиматься дальше. Этот тип звезд отличается очень высокой скоростью вращения. Они способны совершать сотни оборотов в течение одной секунды. Процесс рождения начинается из вспышки сверхновой, которая возникает во время гравитационного коллапса звезды.

Сверхновые

Вспышка сверхновой представляет собой явление резкого изменения яркости звезды. Далее звезда начинает медленно и постепенно угасать. Так заканчивается последняя стадия гравитационного коллапса. Весь катаклизм сопровождается выделением большого количества энергии.

Следует заметить, что жители Земли могут увидеть этот феномен лишь постфактум. Свет достигает нашей планеты спустя долгий период после того, как произошла вспышка. Это стало причиной возникновения сложностей при определении природы сверхновых.

Остывание нейтронной звезды

После окончания гравитационного сжатия, в результате которого сформировалась нейтронная звезда, ее температура очень высока (намного выше, чем температура Солнца). Остывает звезда благодаря нейтринному охлаждению.

В течение пары минут их температура может опуститься в 100 раз. На протяжение последующих ста лет – еще в 10 раз. После того, как светимость звезды снижается, процесс ее охлаждения существенно замедляется.

Предел Оппенгеймера-Волкова

С одной стороны, этот показатель отображает максимально возможный вес нейтронной звезды, при котором гравитация компенсируется нейтронным газом. Это не дает возможность гравитационному коллапсу закончиться появлением черной дыры. С другой стороны, так называемый предел Оппенгеймера-Волкова является одновременно и нижним порогом веса черной дыры, которые были образованы в ходе звездной эволюции.

Из-за ряда неточностей сложно определить точное значение данного параметра. Однако предполагается, что оно находится в диапазоне от 2,5 до 3 масс Солнца. На данный момент, ученые утверждают, что самой тяжелой нейтронной звездой является J0348+0432. Ее вес составляет более двух масс Солнца. Вес самой легкой черный дыры составляет 5-10 солнечных масс. Астрофизики заявляют о том, что эти данные являются экспериментальными и касаются только на данный момент известных нейтронных звезд и черных дыр и предполагают возможность существования более массивных.

Черные дыры

Черная дыра – это один из самых удивительных феноменов, которые встречаются в космосе. Она представляет собой область пространства-времени, где гравитационное притяжение не позволяет никаким объектам выйти из нее. Покинуть ее не способны даже тела, которые могут двигаться со скоростью света (в том числе и кванты самого света). До 1967 года черные дыры назывались «застывшими звездами», «коллапсарами» и «сколлапсировавшими звездами».

У черной дыры есть противоположность. Она называется белой дырой. Как известно, из черной дыры невозможно выбраться. Что касается белых, то в них нельзя проникнуть.

Помимо гравитационного коллапса, причиной образования черной дыры может быть коллапс в центре галактики или протогалактического глаза. Также существует теория, что черные дыры появились в результате Большого Взрыва, как и наша планета. Ученые называют их первичными.

В нашей Галактике есть одна черная дыра, которая, по мнениям астрофизиков, образовалась из-за гравитационного коллапса сверхмассивных объектов. Ученые утверждают, что подобные дыры формируют ядра множества галактик.

Астрономы Соединенных Штатов Америки предполагают, что размер больших черных дыр может быть существенно недооценен. Их предположения основываются на том, что для достижения звездами той скорости, с какой они двигаются по галактике М87, находящейся в 50 миллионах световых лет от нашей планеты, масса черный дыры в центре галактики М87 должна быть не менее 6,5 миллиардов масс Солнца. На данный момент же принято считать, что вес самой большой черный дыры составляет 3 миллиарда солнечных масс, то есть более чем в два раза меньше.

Синтез черных дыр

Существует теория, что эти объекты могут появляться в результате ядерных реакций. Ученые дали им название квантовые черные дары. Их минимальный диаметр составляет 10-18 м, а наименьшая масса – 10-5 г.

Для синтеза микроскопических черных дыр был построен Большой адронный коллайдер. Предполагалось, что с его помощью удастся не только синтезировать черную дыру, но и смоделировать Большой Взрыв, что позволило бы воссоздать процесс образования множества космических объектов, в том числе и планеты Земля. Однако эксперимент провалился, поскольку энергии для создания черных дыр не хватило.

Источник: FB.ru

Почему озадачились ученые?

Современные теории предполагают, что если нейтронная звезда будет намного больше двух солнечных масс, гравитационная сила приведет к ее коллапсу в черную дыру. В итоге этот новый неизвестный объект и не звезда, и не черная дыра.

Как были получены данные?

Данные получены от физиков, работающих с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), парой детекторов в штатах Луизиана и Вашингтон, и с аналогичным детектором Virgo в Италии. Все три состоят из огромных, чрезвычайно чувствительных оптических инструментов, которые могут обнаружить мимолетное растяжение самого пространства.

Оно образуется, когда два массивных объекта, таких как черные дыры, закручиваются друг в друга. С тех пор, как LIGO впервые почувствовал такие гравитационные волны в 2015 году, физики заметили десятки слияний. А 14 августа 2019 года детекторы LIGO и Virgo обнаружили слияние объектов с массами в 23 и 2,6 раз больше, чем у Солнца. Результаты были опубликованы вчера.

Так что это? Самая легкая черная дыра или самая тяжелая нейтронная звезда?

Ученым сложно понять, что это такое. Если это легкая черная дыра, то нет никакой теории о том, как такой объект может развиваться. Однако профессор Фабио Антониони предположил, что солнечная система с тремя звездами может привести к образованию легких черных дыр. Его идея привлекла к себе повышенное внимание после нового открытия, сообщает BBC.

Однако если этот новый класс объектов представляет собой тяжелую нейтронную звезду, то, по мнению профессора Бернарда Шутца из Института гравитационной физики имени Макса Планка, также может потребоваться пересмотр теорий их образования.

Как вообще образуются черные дыры и нейтронные звезды?

Считается, что черные дыры и нейтронные звезды образуются, когда у звезд заканчивается топливо и они умирают. Если это очень большая звезда, она разрушается, образуя черную дыру, объект с такой сильной гравитационной силой, что даже свет не может вырваться из его хватки.

Если исходная звезда ниже определенной массы, один из вариантов — это ее коллапс в плотный шар, состоящий полностью из частиц, называемых нейтронами, которые находятся внутри сердца атомов.

Материал, из которого состоят нейтронные звезды, настолько плотно «упакован», что одна чайная ложка будет весить 10 млн тонн.

У нейтронной звезды есть не только мощная гравитация, но сила между нейтронами, вызванная квантово-механическим эффектом, известным как давление вырождения. Она раздвигает частицы, противодействуя гравитационной силе.

Современные теории предполагают, что гравитационная сила преодолеет давление вырождения, если нейтронная звезда будет намного больше двух солнечных масс, и приведет к ее коллапсу в черную дыру.

Что дало новое наблюдение?

Новое наблюдение может повлиять на теорию о создании черных дыр, которая уже вызывает некоторый скептицизм у научного сообщества. Более того, LIGO и Virgo показали — можно образовать черную дыру с низкой массой и по-другому. В августе 2017 года исследователи заметили слияние двух нейтронных звезд, которые, по-видимому, образовали черную дыру с массой в 2,7 солнечной.

Настоящей загадкой может быть крайнее несоответствие масс черных дыр в новом наблюдении. Всего несколько недель назад LIGO и Virgo объявили о событии, в котором одна черная дыра перевесила другую в соотношении четыре к одному. В новом же событии соотношение составляет девять к одному. Такое экстремальное соотношение трудно получить с помощью большинства моделей, на которых сосредоточены ученые.

Что ждет человечество дальше?

Необходимо будет провести больше космических наблюдений и исследований, чтобы установить, действительно ли этот новый объект является чем-то, что никогда ранее не наблюдалось. Или же он может быть самой легкой из когда-либо обнаруженных черных дыр.

Ученые не знают, как ядерные силы действуют в экстремальных условиях, которые происходят внутри нейтронной звезды. Если загадочный объект является тяжелой нейтронной звездой, то теоретики должны будут переосмыслить то, что происходит в этих объектах.

Похоже, что людям, которые были уверены в существовании массового разрыва, наверняка придется переосмыслить его. Однако астрофизик из Университета Мэриленда Коул Миллер уверен, что не ждет образования «новых культов», сообщает Sсience. Человечество в состоянии пережить это изменение в своем мировоззрении.

Читать также:

Кем был первый организм на Земле? Забудьте все, что знали о зарождении жизни

Посмотрите на закат в других мирах: как Солнце заходит на Марсе, Титане и Уране

«Ростелеком» будет выпускать роутеры для геймеров. Что в них особенного?

Источник: hightech.fm


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.